ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ Τ. Ε. 1. ΠΕΙΡΑΙΑ ΣΧΟΛΉ: ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ: ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ. Επιβλέπων: ΖΟΥΝΤΟΥΡΙΔΟΥ ΕΡΙΕΤΤΑ J.IΙΓ 8~9 ΑΝΑΛ ΥΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΕΙΑΣ ΚΥΨΕΛΩΝ ΚΑ ΥΣΙΜΟΥ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΉ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (ANAL YSIS OF HOURS FUEL CELLS FOR PRODUCTION OF ELECTRICITY) ι..,.. -~18ΛΙ~δΗΚΗ, ι r.: : -~. Ρ Πτυχιακή Εργασία: ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ ΤΡΟΜΠΕΤΑΣ, Α.Μ:34996 ΑΙΓΑΛΕΩ ΙΟVΝ ΙΟΣ 2014
ΠΕΡ Ι ΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΜΑΙΟ 1 ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΑΣ................ 10 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ............... 10 1.2 ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ.................. 11 1.3 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ...................... 14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΑΙ ΚΑΥΣΙΜΑ ΚΥΨΕΛΗΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ................. 19 2.1 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΚΥΨΕΛΩΝ ΚΑ ΥΣΙΜΟΥ ΜΕ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ... 19 2.2 ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΥΨΕΛΗΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ...... 23 2.2.1 ΗΛΕΚΤΡΟΛ ΥΤΗΣ........... 24 2.2.2 ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΑ...................................... 26 2.2.3 ΣΤΡΩΜΑ ΔΙΑΧΥΣΗΣ ΑΕΡΙΩΝ............ 27 2.2.4 ΔΙΠΟΛΙΚΕΣ ΠΛΑΚΕΣ...................... 27 2.3 ΚΑΥΣΙΜΑ ΚΥΨΕΛΗΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ................. 30 2.3.1 ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ........................ 30 2.3.2 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ... 32 2.3.2.1 ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΣΗ ΝΕΡΟΥ............... 32 2.3.2.2 ΑΝΑΜΟΡΦΩΣΗ Υ ΔΡΟΓΟΝΑΝΘΡΑΚΩΝ... 34 2.3.2.3 ΑΕΡΙΟΠΟΙΗΣΗ..................... 35 2.3.2.4 ΘΕΡΜΙΚΗ ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ........................... 35 2.3.2.5 ΦΥΤΟΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ................ 35 2.3.3 ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΚΑΙ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ.................. 36 2.3.4 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΧΡΗΣΕΙΣ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ... 39 ΚΕΦΜΑΙΟ 3 ΤΥΠΟΙ ΚΥΨΕΛΩΝ ΚΑ ΥΣΙΜΟΥ... 41 3.1 ΤΥΠΟΙ ΚΥΨΕΛΩΝ ΚΑΥΣΙΜΟΥ........ 41 3.2 ΑΛΚΑΛΙΚΕΣ ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (AFC)............................... 46 3.2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ.............................. 46 3.2.2 ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ.................46 3.2.3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΚΥΨΕΛΗΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ........47 3.2.4 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ.......48 3.2.5 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ.......................... 48 3.3 ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ ΑΝΤΑΛΛΑΓΗΣ ΠΡΩΤΟΝΙΩΝ (PEMFC)... 50 3.3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ.................. 50 3.3.2 ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ............... 50 3.3.3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΚΥΨΕΛΗΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ......... 51 3.3.4 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ......................... 52 3.3.5 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ................... 53 3.4 ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΑΜΕΣΗΣ ΜΕΘΑΝΟΛΗΣ (DMFC)........................... 55 3.4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ............................. 55 3.4.2 ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ......... 55
3.4.3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΚΥΨΕΛΗΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ..................................... 56 3.4.4 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ.......... 56 3.4.5 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ...................... 57 3.5 ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑ ΥΣΙΜΟΥ ΦΩΣΦΟΡΙΚΟΥ ΟΞΕΩΣ (PAFC)........ 59 3.5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ........ 59 3.5.2 ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ..... 59 3.5.3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΚΥΨΕΛΗΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ.............. 60 3.5.4 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ....... 61 3.5.5 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ....................... 62 3.6 ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΣΤΕΡΕΩΝ ΟΞΕΙΔΙΩΝ (SOFC)............ 64 3.6.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ................ 64 3.6.2 ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ..................... 64 3.6.3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΚΥΨΕΛΗΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ... 65 3.6.4 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ.... 68 3.6.5 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ................ 69 3.7 ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΤΗΓΜΑΤΟΣ ΑΝΘΡΑΚΙΚΩΝ ΑΛΑΤΩΝ (MCFC)......... 71 3.7.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 71 3.7.2 ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ...... 71 3.7.3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΚΥΨΕΛΗΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ........... 72 3.7.4 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ....... 73 3.7.5 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ................................ 73 3.8 ΑΝΑΓΓΕΝΗΣΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΤΗΣ ΚΥΨΕΛΗΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ...... 76 3.9 ΕΠΙΔΕΙΞΗ ΚΑΙ ΕΜΠΟΡΕΥΜΕΤΟΠΟΙΣΗ ΚΥΨΕΛΩΝ ΚΑΥΣΙΜΟΥ... 76 3.10 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...... 80 2
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ 1.1 Εισαγωγή Το πετρέλαιο γίνεται συνεχώς σπανιότερο και η καύση του παράγει ρύπους που μολύνουν το περιβάλλον. Τα αποτελέσματα αυτής της συνεχούς και αυξανόμενης καταστροφής, είναι φανερά στις μέρες μας, όπως το φαινόμενο του θερμοκηπίου και η αύξηση των θανάτων παγκοσμίως, λόγω της ρύπανσης της ατμόσφαιρας. Με στόχο να ανατραπεί η καταστροφή του περιβάλλοντος, είναι επιθυμητή η αλλαγή της ενεργειακής πολιτικής προς μεθόδους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας περισσότερο οικολογικές, όπως οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (αιολική, γεωθερμική, ηλιακή ενέργεια). Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, προς το παρόν, χρησιμοποιούνται σε μικρή κλίμακα, καθώς απαιτείται ιδιαίτερο περιβάλλον για την αποτελεσματική τους λειτουργία. Αντίθετα, οι κυψέλες καυσίμου δεν απαιτούν ιδιαίτερο περιβάλλον για την ομαλή τους λειτουργία, παράγουν από ελάχιστους ως μηδενικούς ρύπους και είναι ιδιαίτερα αποδοτικές, τόσο για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος όσο και για την παραγωγή θερμότητας. Η κυψέλη καυσίμου είναι ηλεκτροχημική συσκευή, η οποία μετατρέπει συνεχώς την χημική ενέργεια του καυσίμου, σε ηλεκτρική ενέργεια. Η ενέργεια αυτή χρησιμοποιείται σε οχήματα, ηλεκτρονικές συσκευές, κατοικίες και ηλεκτρικά δίκτυα. Η ραγδαία ανάπτυξη των κυψελών καυσίμου, τις τελευταίες δεκαετίες, οφείλεται στον μεγάλο βαθμό απόδοσης τους και στην εξαιρετικά καθαρή επεξεργασία του καυσίμου. Η κυψέλη καυσίμου παρομοιάζεται με τον συσσωρευτή αφού περιέχει ηλεκτρόδια (άνοδος και κάθοδος) διαχωρισμένα από έναν ηλεκτρολύτη. Η διαφορά της είνα ι η συνεχής παροχή της ηλεκτρικής ενέργειας. Το καύσιμο και το οξειδωτικό μέσο, το οποίο είναι συνήθως οξυγόνο, παρέχονται αδιάκοπα στην κυψέλη καυσίμου από εξωτερική πηγή. Στον συσσωρευτή, το καύσιμο και το 3
οξειδωτικό μέσο περιέχονται στο εσωτερ ι κό του και όταν τα αντιδρώντα καταναλωθούν, ο συσσωρευτής θα πρέπει να αντικατασταθεί ή να επαναφορτιστεί. Οι κυψέλες καυσίμου είναι εξώθερμες διατάξεις, παράγοντας θερμότητα ως υποπροϊόν της χημικής αντίδρασης η οποία είναι διαθέσιμη για εφαρμογές συμπαραγωγής. Η διαφορά της με τις συμβατικές θερμικές μηχανές, είναι ότι η κυψέλη καυσίμου μετατρέπει την χημική ενέργεια απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια, χωρίς να μεσολαβεί η μετατροπή της σε μηχανική ενέργεια. Οι κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούν υγρά ή αέρια καύσιμα, όπως το υδρογόνο, τους υδρογονάνθρακες και το φυσικό αέριο. Όταν το καύσιμο είναι καθαρό υδρογόνο, το μόνο παραπροϊόν είναι το νερό και η θερμότητα. Το οξειδωτικό μέσο είναι αέριο οξυγόνο ή αέρας. 1.2 Αρχή λειτουργίας - περιγραφή Η βασική αρχή λειτουργίας της, θα μπορούσαμε να πούμε ότι είναι το αντίθετο της ηλεκτρόλυσης. Ηλεκτρόλυση είναι η διάσπαση του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο, όταν μέσα από αυτό ρέει ηλεκτρικό ρεύμα. Στις κυψέλες καυσίμου, το υδρογόνο "ξαναενώνεται"" με το οξυγόνο, παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα. Water iξlectrolys ι s Fuel Cell Elec ι c ι ly Ε Ι rιc1t y Water Hydro n Hyd n Wate. ' oxyge oxyge Σχήμα 1.1: Ηλεκτρόλυση - Κυψέλη καυσίμου 4
Η λειτουργία των κυψελών καυσίμου βασίζεται στις θεμελιώδε ι ς ηλεκτροχημικές αρχές. Η αρχή λειτουργίας δίνεται στο παρακάτω σχήμα: ----τ ---- CATHODE ELECTROLYTE H2S04 1 SEPARATOR Σχήμα 1.2: Αρχή λειτουργία ς Δύο ηλεκτρόδια άνθρακα, με επίστρωση καταλύτη, βρίσκονται μέσα σε έναν ηλεκτρολύτη (όξινο στην προκειμένη περίπτωση) και διαχωρίζονται από ένα φράγμα αερίων. Το καύσιμο, που εδώ είναι το υδρογόνο, ιονίζεται στην επιφάνεια του ενός ηλεκτροδίου, ενώ ταυτόχρονα το οξειδωτικό μέσο, που είναι το οξυγόνο, ιονίζεται στο άλλο ηλεκτρόδιο. Όταν τα ηλεκτρόδια ενώνονται αγώγιμα, μέσω εξωτερικού κυκλώματος, συμβαίνουν τα εξής: 1. Το υδρογόνο διασπάται στην επιφάνεια του καταλύτη του ενός ηλεκτροδίου, σχηματίζοντας κατιόντα υδρογόνου (πρωτόνια) και ηλεκτρόνια. 2. Τα πρωτόνια μετακινούνται μέσω του ηλεκτρολύτη (και του φράγματος των αερίων), στην καταλυτική επιφάνεια του ηλεκτροδίου στην πλευρά του οξυγόνου. 5
3. Ταυτόχρονα, τα ηλεκτρόν ι α κινούνται μέσα από το εξωτερικό κύκλωμα, στην ίδια καταλυτική επιφάνεια. 4. Το οξυγόνο, τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια ενώνονται στην καταλυτική επιφάνεια του ηλεκτροδίου και σχηματίζουν νερό. Η διαδικασία εξελίσσεται φυσικά και οφείλεται στο γεγονός ότι φορτισμένα σωματίδια κινούνται προς περιοχές χαμηλότερης ηλεκτροχημικής ενέργειας, για τον σχηματισμό πιο σταθερών ενώσεων. Τα φορτισμένα σωματίδια του υδρογόνου και του οξυγόνου κινούνται το ένα προς το άλλο και ενώνονται επειδή τα τελικά προϊόντα της αντίδρασης έχουν χαμηλότερη ηλεκτροχημική ενέργεια. Η κίνηση αυτών των φορτισμένων σωματιδίων, χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Σ' αυτή την ηλεκτροχημική διαδικασία, η μία πλευρά ονομάζεται άνοδος και η άλλη πλευρά ονομάζεται κάθοδος. Στο ηλεκτρόδιο της ανόδου, πραγματοποιείται η αντίδραση της οξείδωσης, στην οποία τα άτομα του υδρογόνου διασπώνται σε πρωτόνια και σε ηλεκτρόνια. Στη συνέχεια τα ελεύθερα πρωτόνια περνούν μέσα από τον ηλεκτρολύτη και τα ηλεκτρόνια κινούνται μέσα από το εξωτερικό ηλεκτρικό κύκλωμα, προς την πλευρά της καθόδου. Στην κάθοδο ο ατμοσφαιρικός αέρας, δίνει το απαραίτητο οξυγόνο για την αντίδραση αναγωγής. Τα άτομα του οξυγόνου διασπώνται και ενώνονται με τα πρωτόνια που έρχονται μέσω του ηλεκτρολύτη και με τα ηλεκτρόνια που έρχονται από το εξωτερικό ηλεκτρικό κύκλωμα, σχηματίζοντας νερό. 6
Η ολική αντίδραση του αέριου υδρογόνου κα ι οξυγόνου, για το σχηματισμό του νερού, είναι: Η τάση που αναπτύσσεται, είναι συνάρτηση της ελεύθερης ενέργειας και των αντιδράσεων οξείδωσης και αναγωγής. Σε συνθήκες περιβάλλοντος, η ιδανική τιμή του δυναμικού που αναπτύσσεται είναι 1.23V, για κυψέλες καυσίμου που χρησιμοποιούν υδρογόνο -οξυγόνο. Η όλη δραστηριότητα εξελίσσεται φυσικά, αλλά οι πραγματοποιθείσες αντιδράσεις είναι αργές, περιορίζοντας την ισχύ εξόδου της κυψέλης καυσίμου. Η απόδοση της κυψέλης καυσίμου, περιορίζεται κυρίως από την αντίδραση αναγωγής του οξυγόνου, η οπο ία είναι εκατό φορές πιο αργή από την αντίδραση οξείδωσης του υδρογόνου. Έτσι για την επ ι τάχυνση των αντιδράσεων στα ηλεκτρόδια χρησιμοποιείτα ι καταλύτης. Ένας κοινός καταλύτης που χρησιμοποιείται στις χαμηλής θερμοκρασίας κυψέλες καυσίμου είναι η πλατίνα (Pt). 1.3 Ιστορική αναδρομή Η βασική αρχή της τεχνολογίας Κυψελών Καυσίμου επινοήθηκε το 1839. Ο Γερμανοελβετός Christian Friedrich Schonbein δημοσίευσε το άρθρο του για τις κυψέλες καυσίμου υδρογόνου-οξυγόνου στο "Philosophical Magazine" τον Ιανουάριο του 1839. Την ί δια περ ίπου εποχή, ο Άγγλος sir William G roνe εργαζόταν πάνω σε μια μέθοδο συνδεσμολογίας του ισχυρού συσσωρευτή πλατ ίνας-ψευδαργύρου, παράλληλα και σε σειρά. 7
Στο υστερόγραφο του άρθρου του, ο sir William Groνe, είχε υποδείξει την πιθανότητα, η αντίδραση υδρογόνου-οξυγόνου να παράγει ηλεκτρισμό. Πραγματοποίησε την περιγραφή ενός "ηλεκτρολυτικού συσσωρευτή αερίων", ο οποίος με "ψυχρή καύση" του υδρογόνου και του οξυγόνου θα παρήγαγε ηλεκτρικό ρεύμα με θεωρητική απόδοση σχεδόν 100%. Το 1842, ο sir William Grove παρουσίασε την μέθοδο Κυψελών Καυσίμου λεπτομερώς. Ένας από Εικόνα 1: sir William Grove ο Westphal το 1880. τους πρώτους που αναγνώρισε την σημασία των κυψελών καυσίμου υδρογόνου - οξυγόνου ήταν Το 1894, ο Ostwald πρότεινε μια διαδικασία συνδυασμού άνθρακα (C) και οξυγόνου (0 2 ). Η πραγματοποίηση αυτής της ιδέας απέτυχε, εξ' αιτίας των υψηλών θερμοκρασιών λειτουργίας (της τάξης των 1000 C) και των προβλημάτων που δημιουργήθηκαν, όσον αφορά την αντοχή και την ομαλή συμπεριφορά των υλικών σε αυτές τις θερμοκρασίες. Από τότε και μετά, οι ερευνητικές προσπάθειες εστιάστηκαν στην αντίδραση Η2 Ι 02, η οποία μπορούσε να ελεγχθεί ευκολότερα. Εικόνα 2 Η ιστορική πρώτη δομή τεσσάρων κυψελών καυσ ίμ ου 8
Η τεχνική εξέλιξη των κυψελών καυσίμου ξεκίνησε λίγο μετά τον Β' Παγκόσμιο Πόλεμο όταν ο Francis T.Bacon από το Cambrίdge στην Αγγλία, κατασκεύασε επιτυχώς μία κυψέλη υψηλής πίεσης. Η πρώτη λειτουργική συσκευή παρουσιάστηκε το 1954. Στη συνέχεια, αλκαλικές κυψέλες καυσίμου (AFC) και κυψέλες καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC) αναπτύχθηκαν για τα διαστημικά προγράμματα (Gemini, Apollo, Spacelab). Εκείνη την περίοδο, η NASA χρησιμοποιούσε τις κυψέλες καυσίμου, οι οποίες ήταν κατασκευασμένες από την Pratt & Whitney (USA), για να παρέχουν ηλεκτρικό ρεύμα κατά τη διάρκεια των αποστολών του διαστημόπλοιου Gemini. Το γεγονός αυτό, ενθάρρυνε τους επιστήμονες, με αποτέλεσμα, πλήθος χωρών να ξεκινήσει μία αυξανόμενη δραστηριότητα γύρω από τις κυψέλες καυσίμου, τόσο σε πανεπιστήμια και σε εργαστήρια, όσο και στη βιομηχανία. Αλλά ο αρχικός ενθουσιασμός εξασθένησε σύντομα στην αρχή της δεκαετίας του '70, εξ' αιτίας του υψηλού κόστους. Έτσι οι κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιήθηκαν αποκλειστικά και μόνο σε διαστημικές και στρατιωτικές εφαρμογές. Στην συνέχεια το ενδιαφέρον των αμερικάνικων βιομηχανιών αναπτερώθηκε και πάλι με τις χρηματοδοτήσεις για έρευνα από το Τμήμα Ενέργειας (DOE), το Ινστιτούτο Έρευνας Ηλεκτρικής Ενέργειας (EPRI) και το Ινστιτούτο Έρευνας Αερίων (GRI) στη δεκαετία του '70. Το μεγαλύτερο ενδιαφέρον εκδηλώθηκε για τις κυψέλες καυσίμου φωσφορικού οξέος (PAFC), τις κυψέλες καυσίμου τήγματος ανθρακικών αλάτων (MCFC) και τις κυψέλες καυσίμου στερεών οξειδίων (SOFC), δηλαδή για τις κυψέλες καυσίμου μέσης και υψηλής θερμοκρασίας. Η εξέλιξη όλων αυτών των τεχνολογιών στόχευε αρχικά στην εφαρμογή σε μονάδες ισχύος, μερικών εκατοντάδων MW. Την ίδια περίοδο η Ιαπωνία ξεκίνησε ένα νέο ερευνητικό πρόγραμμα, το Moonlight Programme, το οποίο υποστηριζόταν αφειδώς από την κυβέρνηση. Αντίθετα, το Ευρωπαϊκό πρόγραμμα για την έρευνα των κυψελών καυσίμου είχε περικοπεί στο ελάχιστο. Όταν η Ευρωπαϊκή ερευνητική δραστηριότητα ξεκίνησε πάλι στα μέσα της δεκαετίας του '80, η Αμερικανική και η Ιαπωνική βιομηχανία είχαν ήδη αναπτύξει τις κυψέλες καυσίμου φωσφορικού οξέος (PAFC) για μη κινητές εγκαταστάσεις. 9
Έτσι, οι έρευνες εστιάστηκαν στις κυψέλες καυσίμου υψηλών θερμοκρασιών, για να ανταγωνιστούν τις νέες τεχνικές και ιδέες των Η.Π.Α. και της Ιαπωνίας. Το ενδιαφέρον για κινητές μονάδες ενεργοποιείται και πάλι σήμερα αφού η περιβαλλοντική ευαισθησία προωθεί την εισαγωγή στην αγορά αυτοκινούμενων οχημάτων με μηδενικές ή έστω πολύ χαμηλές εκπομπές ρύπων. Η χρήση στη βιομηχανία οχημάτων, της τεχνολογίας κυψελών καυσίμου με την εγγενή υψηλή απόδοση, την υψηλή παραγωγή πυκνότητας ρεύματος και τη μηδενική εκπομπή ρύπων, έχει εξελιχθεί σημαντικά την τελευταία δεκαετία και σήμερα αποτελεί ένα σοβαρό ανταγωνιστή στην αγορά οχημάτων μηδενικών εκπομπών ρύπων. Το πρώτο λεωφορείο που χρησιμοποίησε την τεχνολογία κυψελών καυσίμου, ολοκληρώθηκε το 1993 και αρκετά μικρότερα οχήματα κατασκευάζονται στην Ευρώπη και τις Ενωμένες Πολιτείες. Η ONSI στις Ηνωμένες Πολιτείες έχει ήδη προμηθεύσει σχεδόν 100 μονάδες συμπαραγωγής φωσφορικού οξέος (PAFC) των 200 kw, σε πελάτες της στις Ηνωμένες Πολιτείες και σε όλο τον κόσμο για δοκιμαστικές εφαρμογές. Η διάθεση τους στην αγορά το 1998 ήταν 1.500 $/kw. Οι κυψέλες MCFC (ERC/MTU, Ansaldo, ECN, MC Power, ΙΗΙ, Hitachi, MELCO, Tonen, κτλ.) και SOFC (Westinghouse, Siemens, Daimler-Benz, Sulzer, Ceramatec, Statoil, κτλ.) μετεπήδησαν από τα εργαστήρια, στις εμπορικές εφαρμογές μετά το 2000. Οι κυψέλες καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC) δεν ερευνήθηκαν σοβαρά πριν το τέλος της δεκαετίας του 70 αρχές '80. Οι έντονες δραστηριότητες, κυρίως από τις εταιρείες Ballard, Siemens, H-Power και διάφορων Αμερικάνικων πανεπιστημίων και ερευνητικών κέντρων, είχαν ως αποτέλεσμα την κατασκευή βελτιωμένων συσκευών ΜΕΑ (Membrane-Electrode Assemblies). Έτσι το βάρος και το κόστος των κυψελών καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC) μειώθηκε δραστικά και η εφαρμογή τους αυξήθηκε θεαματικά. Αυτό με τη σειρά του, έδωσε κίνητρα σε πολλές κατασκευάστριες εταιρείες αυτοκινήτων και λεωφορείων (Ballard/ New Flyer, Chrysler, Daimler-Benz, Ford, GM, Honda, Man, Neoplan, PSA, Renault, Toyota, Volνo) να θεωρήσουν τις κυψέλες καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων 10
(PEMFC) ως ένα εναλλακτικό σύστημα κίνησης των οχημάτων, έναντι των υπαρχόντων μηχανών εσωτερικής καύσης. Παγκοσμίως, τουλάχιστον 600 εκατομμύρια Euro το χρόνο επενδύονται στην τεχνολογία των κυψελών καυσίμου μόνο και μόνο για την επίτευξη ενός "καθαρότερου" μέλλοντος. Μέχρι το 1999, σε παγκόσμια κλίμακα, είχαν εγκατασταθεί μονάδες συνολικής ισχύος 40.000 kw περίπου, κυρίως ως γεννήτριες ισχύος και θερμότητας, από τις οποίες περίπου το 90% είναι κυψέλες καυσίμου φωσφορικού οξέος (PAFC). Σήμερα, υπάρχει αυξανόμενο ενδιαφέρον για την τεχνολογία κυψελών καυσίμου και στην Ευρώπη. Η μονάδα PAFC της US ONSI 200kW, κατέγραψε 349.693 ώρες στην Ευρώπη με την μέγιστη συνεχόμενη λειτουργία για 5.729 ώρες και συνολική παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος 54.086 MWh (30 Σεπτεμβρίου 1998). Μερικές από αυτές τις μονάδες ξεπέρασαν την αναμενόμενη διάρκεια ζωής τους στην Ιαπωνία και την Αμερική, κάτι το οποίο αναδεικνύει την υψηλή αξιοπιστία της τεχνολογίας. 11
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΚΑΤΑΣΚΕΥ ΑΣΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΑΙ ΚΑ ΥΣΙΜΑ ΚΥΨΕΛΩΝ ΚΑ ΥΣΙΜΟΥ 2.1 Σύγκριση κυψελών καυσίμου, με θερμικές μηχανές Όλες οι θερμικές μηχανές, συμπεριλαμβανομένου και των μηχανών εσωτερικής καύσης, περιορίζονται από την απόδοση του κύκλου Carnot. Η θερμική μηχανή δεν μπορεί να μετατρέψει όλη την παραγόμενη θερμική ενέργεια, σε μηχανική ενέργεια. Μέρος της θερμικής ενέργειας απορρίπτεται στο περιβάλλον. Σε μία μηχανή εσωτερικής καύσης, παρέχεται θερμότητα σε υψηλή θερμοκρασία Τ 1, μέρος της ενέργειας μετατρέπεται σε μηχανικό έργο και το υπόλοιπο απορρίπτεται σε χαμηλότερη θερμοκρασία Τ 2. Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά θερμοκρασίας, τόσο μεγαλύτερη είναι η απόδοση. Σύμφωνα με τους νόμους της θερμοδυναμικής, η θερμική απόδοση της θερμικής μηχανής είναι, ο λόγος του μηχανικού έργου που παράγεται, προς το ποσό της θερμότητας που εισάγεται αρχικά σε θερμοκρασία Τ1. 1Ί n~l - Ī; όπου οι θερμοκρασίες Τ1, Τ2 είναι σε Kelνin. Οι κυψέλες καυσίμου μετατρέπουν απευθείας την χημική ενέργεια του καυσίμου σε ηλεκτρική ενέργεια, χωρίς να περιλαμβάνουν το στάδιο της μετατροπής της θερμότητας σε μηχανική ενέργεια, η οποία εν συνεχεία μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια. Γι'αυτό το λόγο η απόδοση των κυψελών καυσίμου, μπορεί να υπερβαίνει το όριο του κύκλου Carnot, ακόμα και όταν αυτές λειτουργούν σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες, π.χ. στους 80 C [10]. 12
Ο θεωρητικός βαθμός απόδοσης των κυψελών καυσίμου είναι [8]: ΔG n=-- ΔΗ όπου ΔG : είναι η ελεύθερη ενέργεια του Gibbs, που ελευθερώνεται κατά την αντίδραση και ΔΗ : είναι η μεταβολή της ενθαλπίας Όταν το παραγόμενο νερό είναι ΔΗ = 238.13k.J / mol Όταν το παραγόμενο νερό είναι ΔΗ = 24 l.82k.j / mol σε υγρή μορφή :ΔG = 237.13k.J / mol και σε αέρια μορφή : ΔG = 228.57 kj / mol και Έτσι ο μέγιστος θεωρητικός βαθμός απόδοσης είναι: n = 83% (υγρό) n = 94.5% (αέριο) Στην πράξη ο βαθμός απόδοσης είναι μικρότερος, λόγω της εσωτερικής αντίστασης των κυψελών καυσίμου [8]. Έτσι ο βαθμός απόδοσης είναι [25]: ~e/i n et= ΔΗ/ / 2F όπου Vceι ι : είναι η τάση της κυψέλης καυσίμου (V) F: είναι η σταθερά Faraday (Cb/mol) 13
Παρακάτω φα ίνεται ο βαθμός απόδοσης των σ υ μβατικών μονάδων παραγωγής ηλεκτρ ι κής ενέργε ι ας κα ι των κυψελών καυσ ί μου, σε σχέση με την ισχύ εξόδου [19]. -------- Σύγκριση βαθμών απόδοσης, μονάδων ηλεκτρικής ισχύος Ηλεκτρικός(%) Συμπαραγωγή (%) Συνολικός(%) Κυψέλη καυσίμου 40-60 20-30 60-80 Μηχανή Diesel 30-40 ο 30-40 Αεριοστρόβιλος 25-35 ο 25-35 Μηχανή αερίου 25-35 ο 25-35 70 ~ Theoretical Maximum, Hydrogen F υ el Cells > Ι..J ~ ο >- u c: Q) ί.3 iiξ UJ 60 50 40 30 20 / ---------~ - 1 Ο ~ Gasoline / Electric -Fuel Cells Steam and Gas Turbines ο~~~~~~~~~~~~~~~~ 1 10 100 1,000 10,000 100,000 Power Output kw Σχήμα 2. 1: Βαθμός απόδοσης δ ι αφόρων π ηγών ηλεκτρικής ενέργε ι ας 14
Η νέα πρόταση στον τομέα ενέργειας Ο ι κυψέλες καυσ ίμου έχουν θεωρηθε ί την τελευταία δεκαετία μία από τις πολλά υποσχόμενες νέες τεχνολογίες, για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών του πλανήτη. Αντίθετα με τις κο ι νές μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιούν συμβατικές τεχνολογίες, οι μονάδες κυψελών καυσίμου μπορούν να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια και θερμότητα σε μεγάλο εύρος ισχύος, από μερικά Watt, έως μονάδες των MW. Η αρχή λειτουργίας των κυψελών καυσίμου είναι εξαιρετικά απλή. Ο ηλεκτρισμός παράγεται χωρίς να απαιτείται η χρήση περιστρεφόμενων μηχανικών μερών και ο βαθμός απόδοσης τους φτάνει σε επίπεδα πολύ μεγαλύτερα από αυτά των μεγάλων συμβατικών μηχανών. Οι κυψέλες καυσίμου είναι αθόρυβες και αποδοτικές, ακόμα και σε μερικά φορτία. Τα πλεονεκτήματα τους είναι σημαντικά για τον περιορισμό της μόλυνσης του περιβάλλοντος και της εξοικονόμησης ενέργειας. Ένας τομέας στον οποίο η εφαρμογή της τεχνολογίας των κυψελών καυσίμου θα επιφέρει σημαντικά αποτελέσματα, είναι ο Συνδυασμένος Κύκλος Παραγωγής Ενέργειας και Θερμότητας (CHP) Αντίθετα με τις μηχανές εσωτερικής καύσης και με τους αεροστρόβιλους, που είναι πολύ θορυβώδη και ο βαθμός απόδοσής τους ε ίνα ι χαμηλός, οι κυψέλες καυσίμου ε ί ναι αθόρυβες και μετατρέπουν σε πολύ μεγαλύτερο ποσοστό την χημική ενέργεια σε ηλεκτρισμό. Από την χημική ενέργεια που περιέχει το καύσιμο, η κυψέλη καυσίμου έχει την δυνατότητα να μετατρέψει το 40-60% σε ηλεκτρισμό. Αυτό το στοιχείο αποτελε ί σαφή απόδειξη ότι οι κυψέλες καυσίμου είναι πολύ πιο "ελκυστικές" και αποτελεσματικές από τις μηχανές εσωτερικής καύσης και τους αεριοστρόβιλους. 15
2.2 ΚΑ ΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΥΨΕΛΩΝ ΚΑ ΥΣΙΜΟΥ Τα κυριότερα δομικά στοιχε ία μίας κυψέλης καυσ ί μου είναι, ο ηλεκτρολύτης (electrolyte), τα ηλεκτρόδια (electrodes), το στρώμα διάχυσης αερίων (Gas Diffusion Layers) και οι διπολικές πλάκες (Bipolar Plates). Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η δομή της κυψέλης καυσίμου αμέσου μεθανόλης. Ξεκινώντας από το κέντρο προς τα άκρα, ο ηλεκτρολύτης είναι στερεά πολυμερής μεμβράνη. Τα ηλεκτρόδια έχουν καταλυτική επιφάνεια και ακολουθεί το στρώμα διάχυσης αερίων. Η κυψέλη καυσίμου τελειώνει στις διπολικές πλάκες ανόδου και καθόδου, από τις οποίες εισέρχονται και εξέρχονται τα αντιδρώντα και τα προϊόντα των αντιδράσεων. Catalyst Anode + ~ Σχήμα 2.2: Δομή κυψέλης καυσίμου άμεσης μεθανόλης (DMFC) Η δομή και λειτουργία των επιμέρους αυτών στοιχείων της κυψέλης καυσίμου, αναλύεται ακολούθως. 16
2.2.1 Ηλεκτρολύτης Ο ηλεκτρολύτης είναι η καρδιά της κυψέλης καυσίμου. Η βασική του λειτουργία στηρίζεται στην ιδιότητα που έχει να επιτρέπει την μετακίνηση ιόντων στο εσωτερικό του. Ο ηλεκτρολύτης θα πρέπει να διαθέτει μεγάλη ιοντική αγωγιμότητα και παράλληλα να εμποδίζει τη διέλευση των ηλεκτρονίων, ώστε να μην υπάρχουν απώλειες και να διατηρείται η ομαλή λειτουργία της κυψέλης καυσίμου. Εάν ο ηλεκτρολύτης επιτρέπει τη διέλευση των ηλεκτρονίων, τότε παρουσιάζονται προβλήματα βραχυκύκλωσης, με αποτέλεσμα τη μη ομαλή λειτουργία του στοιχείου. Παράλληλα ο ηλεκτρολύτης λειτουργεί και σαν διαχωριστική επιφάνεια ανάμεσα στο οξειδωτικό και το καύσιμο, έτσι ώστε να αποφεύγεται η απευθείας αντίδρασή τους. Ο ηλεκτρολύτης προσδιορίζει τις συνθήκες λειτουργίας της κυψέλης καυσίμου. Έτσι η θερμοκρασία λειτουργίας, εξαρτάται άμεσα από το είδος του ηλεκτρολύτη που αυτή διαθέτει. Στις κυψέλες καυσίμου που έχουν υγρό ηλεκτρολύτη, όπως ο αλκαλικός και αυτός του φωσφορικού οξέος, η θερμοκρασία λειτουργίας είναι σχετικά χαμηλή (< 250 C). Ο περιορισμός αυτός είναι αναγκαίος, καθώς αν η κυψέλη καυσίμου λειτουργήσει σε υψηλότερες θερμοκρασίες, ο υγρός ηλεκτρολύτης θα αλλοιωθεί λόγω εξάτμισης. Εξαιτίας αυτών των χαμηλών θερμοκρασιών, οι κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούν ακριβούς ηλεκτρολύτες για την επαρκή κατάλυση της αντίδρασης, με αποτέλεσμα την αύξηση του κόστους τους. Αντίθετα όταν ο ηλεκτρολύτης είναι σε στερεά κατάσταση, η θερμοκρασία λειτουργίας ξεπερνάει τους 650 C, με αποτέλεσμα να μην απαιτείται η χρήση ακριβού καταλύτη, αφού σε τόσο υψηλές θερμοκρασίες οι αντιδράσεις καταλύονται επαρκώς και από λιγότερο δραστικούς καταλύτες, ενώ παράλληλα αυξάνεται η ιοντική αγωγιμότητα του ηλεκτρολύτη. Κατάλληλα για τον ηλεκτρολύτη είναι κάποια αλκαλικά και όξινα διαλύματα και στερεά σώματα. 17
Στην άνοδο ενός όξινου ηλεκτρολύτη, το υδρογόνο ιον ίζεται στο ηλεκτρόδιο, απελευθερώνοντας ηλεκτρόνια και δημιουργώντας πρωτόνια. 2Η 2 ~4Η + +4e- Η αντίδραση απελευθερώνει ενέργεια. Στην κάθοδο, το οξυγόνο αντιδρά με τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια, σχηματίζοντας νερό. Το οξύ είναι υγρό με ελεύθερα ιόντα υδρογόνου (πρωτόνια Η+), έτσι ο όξινος ηλεκτρολύτης εκτελεί με επιτυχία το σκοπό του, δηλαδή την μετακίνηση των ιόντων υδρογόνου από την άνοδο στην κάθοδο. Ορισμένα πολυμερή, μπορούν επίσης να περιέχουν κινούμενα ιόντα υδρογόνου. Αυτά τα πολυμερή ονομάζονται μεμβράνες ανταλλαγής πρωτονίων, παίρνοντας το όνομά τους από το ιόν του υδρογόνου ή αλλιώς πρωτόνιο. Στους αλκαλικούς ηλεκτρολύτες οι αντιδράσεις στα ηλεκτρόδια είναι διαφορετικές. Στην κάθοδο το οξυγόνο αντιδρά με τα ηλεκτρόνια που έρχονται από την άνοδο και μαζί με το νερό, σχηματίζουν ανιόντα υδροξυλίου. 0 2 + 4e- + 2Η 2 0 ~ 40Η - Τα ανιόντα υδροξυλίου περνούν μέσα από τον ηλεκτρολύτη από την κάθοδο στην άνοδο. Στην άνοδο το υδρογόνο αντιδρά με τα ανιόντα υδροξυλίου απελευθερώνοντας ενέργεια και ηλεκτρόνια και παράγοντας νερό. Συνοψίζοντας, στον όξινο ηλεκτρολύτη, το μεταφερόμενο ιόν από την άνοδο στην κάθοδο είναι το κατιόν του υδρογόνου και η παραγωγή του νερού γίνεται στην κάθοδο. Στον αλκαλικό ηλεκτρολύτη, το μεταφερόμενο ιόν από την 18 1 ΙΙΙΒΛΙΟΘΗΚΗ ΤΕ f
κάθοδο στην άνοδο είνα ι το ανιόν υδροξυλίου και το νερό σχηματίζεται στην άνοδο. 2.2.2 Ηλεκτρόδια Η μετατροπή της χημικής ενέργειας που περιέχει το καύσιμο σε ηλεκτρική ενέργεια, γίνεται στα ηλεκτρόδια, καθώς από τα άτομα του καυσίμου και του αέρα, αποδεσμεύονται τα ηλεκτρόνια. Στη συνέχεια τα ηλεκτρόνια ρέουν μέσα από εξωτερικό κύκλωμα, ενώ τα ιόντα διαπερνάνε τον ηλεκτρολύτη. Επομένως τα ηλεκτρόδια πρέπει να είναι πορώδη, διαπερατά, από τα αέρια μόρ ι α, τα ιόντα και τα ηλεκτρόνια, καθώς επίσης πρέπει να είναι καλοί αγωγοί ηλεκτρισμού. Ο ρυθμός με τον οποίο γίνονται οι αντιδράσεις, σχετίζεται με την επιφάνεια των ηλεκτροδίων. Η πορώδης κατασκευή τους αυξάνει την ενεργό επιφάνειά τους. Τα μοντέρνα ηλεκτρόδια έχουν τέτοια μικροδομή, που τους δίνει ενεργό επιφάνεια εκατοντάδες ή ακόμα χιλιάδες φορές μεγαλύτερη από τις πραγματικές τους διαστάσεις. Η ταχύτητα των αντιδράσεων είναι μείζονος σημασίας για την απόδοση της κυψέλης καυσίμου. Η αύξηση της ταχύτητας γίνεται, εκτός από την αύξηση της επιφάνε ι ας των ηλεκτροδίων, είτε με την προσθήκη καταλυτικών επενδύσεων στην επιφάνεια των ηλεκτρόδιων, είτε με την αύξηση της θερμοκρασίας. Στην περίπτωση όξινων ηλεκτρολυτών μόνο ευγενή μέταλλα, όπως ο λευκόχρυσος (Pt) και το ρουθήνιο (Ru) μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καταλύτες, γιατί λιγότερο πολύτιμα μέταλλα θα αντιμετώπιζαν πρόβλημα δ ι άβρωσης με την πάροδο του χρόνου. Άνοδος Η άνοδος είναι το αρνητικό ηλεκτρόδιο της κυψέλης καυσίμου. Άγει τα ηλεκτρόνια που προέρχονται από τα μόρια του υδρογόνου, έτσι ώστε αυτά να οδηγηθούν στο εξωτερικό ηλεκτρικό κύκλωμα. 19
Κάθοδος Η κάθοδος είναι το θετικό ηλεκτρόδιο της κυψέλης καυσίμου. Άγει τα ηλεκτρόνια που επιστρέφουν από την άνοδο, έτσι ώστε να μπορούν να ξαναενωθούν με τα ιόντα υδρογόνου και το οξυγόνο, για τον σχηματισμό νερού. 2.2.3 Στρώμα διάχυσης αερίων Το στρώμα διάχυσης των αερίων, μπορεί είτε να αποτελεί μέρος του ηλεκτροδίου, τόσο της ανόδου όσο και της καθόδου, είτε να είναι ξεχωριστό στρώμα. Ο πρωταρχικός του ρόλος είναι η διάχυση, η ισοκατανομή των αερίων πάνω στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου. Επιπλέον όμως, δημιουργεί ηλεκτρική σύνδεση ανάμεσα στον καταλύτη και στην διπολική πλάκα. Επίσης απομακρύνει το παραγόμενο νερό από την επιφάνεια του ηλεκτρολύτη και σχηματίζει ένα προστατευτικό λεπτό στρώμα στην επιφάνεια του καταλύτη. 2.2.4 Διπολικές πλάκες Η τάση μίας κυψέλης καυσίμου, υπό φορτίο είναι αρκετά μικρή, της τάξης του Ο. 7 Volt. Για να φτάσουμε το επιθυμητό επίπεδο της τάσης, πολλές κυψέλες καυσίμου θα πρέπεί να ενωθούν στη σειρά. Η εν σειρά ένωση των κυψελών καυσίμου, δημιουργεί μία συστοιχία κυψελών καυσίμου. Ο πιο απλός τρόπος, είναι η σύνδεση της άκρης της καθόδου της μίας κυψέλης, στην άνοδο της επόμενης κυψέλης. Το πρόβλημα αυτής της μεθόδου είναι ότι θα πρέπει τα ηλεκτρόνια να διατρέξουν όλη την επιφάνεια του ηλεκτρόδιου, μέχρι να φτάσουν στο άκρο της ηλεκτρικής σύνδεσης. Παρόλο που τα ηλεκτρόδια είναι καλοί αγωγοί, όταν η κυψέλη έχει τάση Ο. 7Volt, ακόμα και η πιο μικρή πτώση τάσης είναι εξαιρετικά σημαντική. 20
Μια πολύ καλύτερη μέθοδος σύνδεσης των κυψελών είναι η χρήση διπολικών πλακών. Οι πλάκες συνδέουν ολόκληρη την επιφάνεια της καθόδου μ ι ας κυψέλης, με ολόκληρη την επιφάνεια της ανόδου της επόμενης κυψέλης (εξού και ο όρος διπολική).την ίδια στιγμή οι διπολικές πλάκες τροφοδοτούν με οξυγόνο την κάθοδο και με καύσιμο την άνοδο. Παρότι τα δύο ηλεκτρόδια πρέπει να έχουν καλή ηλεκτρική σύνδεση μεταξύ τους, τα αέρια πρέπει να τροφοδοτούνται ξεχωριστά. Μ ι α διπολική πλάκα φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Είναι κατασκευασμένη από αγώγιμα υλικά, όπως ο γραφίτης ή το ανοξείδωτο ατσάλι. Σχ ή μα 2.3: Δ ιπολ ι κές πλάκες Αυτές οι πλάκες έχουν κανάλια έτσι ώστε τα αέρια να ρέουν στην επιφάνεια των ηλεκτροδίων. Τα κατακόρυφα κανάλια είναι για τη ροή του υδρογόνου στην άνοδο, ενώ τα οριζόντια κανάλια είναι για τη ροή του οξυγόνου στην κάθοδο. Είναι επίσης κατασκευασμένες με τρόπο τέτοιο ώστε έχουν αγώγ ι μη επαφή με την επιφάνεια του κάθε ηλεκτρόδιου Το αποτέλεσμα αυτής της σύνδεσης σε σειρά των κυψελών, είναι το ηλεκτρικό ρεύμα να περνά στην ουσ ία κατευθείαν από τη μία κυψέλη στην άλλη και όχι από την επιφάνεια του ενός ηλεκτροδίου στο άλλο. 21
Η ιδανική διπολική πλάκα πρέπει να είναι λεπτή, για την ελαχιστοποίηση της ηλεκτρικής αντίστασης και του μεγέθους της κυψέλης. Αυτό όμως περιορίζει τη ροή των αερίων στα κανάλια και είναι δυσκολότερη η εισαγωγή τους μέσα στην κυψέλη. Στις χαμηλής θερμοκρασίας κυψέλες καυσίμου, ο αέρας που κυκλοφορεί πρέπει απομακρύνει μαζί του και το παραγόμενο νερό. Οι διπολικές πλάκες διαθέτουν επιπλέον κανάλια για την κυκλοφορία του ψυκτικού υγρού. Κανάλ ι ε ι σαγωγής καυσίμ ου Διπολ ι κή π λάκα Κανάλι ροιίς αέρα ή οξυγόνου Σχ ήμ α 2.4: Δομ ή μι ας κ υ ψέλ η ς καυσίμου. Ο ι δύο δ ιπ ολ ι κές πλάκες, περ ι έχο υ ν την άνοδο, τ ον η λεκ τ ρολ ύτη κα ι τη ν κάθοδο. 22
2.3 ΚΑ ΥΣΙΜΑ ΚΥΨΕΛΩΝ ΚΑ ΥΣΙΜΟΥ Οι κυψέλες καυσ ί μου χρησιμοπο ι ούν υγρά ή αέρια καύσιμα, όπως το υδρογόνο, τους υδρογονάνθρακες, βιοκαύσιμα, αλκοόλες (μεθανόλη, αιθανόλη) και το φυσικό αέριο. Όταν το καύσιμο ε ίναι καθαρό υδρογόνο, το μόνο παραπροϊόν ε ίναι το νερό και η θερμότητα. Το οξειδωτικό μέσο είναι αέριο οξυγόνο ή ατμοσφαιρικός αέρας. 2.3.1 Ιδιότητες του Υδρογόνου Το υδρογόνο αποτελεί το 90% του σύμπαντος. Στην γη βρίσκεται κυρίως σε ενώσεις του όπως το νερό και οι υδρογονάνθρακες, ενώ σαν καθαρό στοιχείο υπάρχει μόνο σε ίχνη στην ατμόσφαιρα. Το υδρογόνο έχει την υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα ανά μονάδα βάρους, λόγω όμως της χαμηλής πυκνότητάς του, έχει χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα ανά μονάδα όγκου (βλέπε Πίνακα 1 ), ταιριάζει επομένως σε εφαρμογές όπου το βάρος παρά ο όγκος έχει σημασία. Πίνακα 1: Σύ Ενεργειακός Μπαταρrες Υδρογόνο Φ.Α. ο έα Μολύ δου Ενεργειακή πυκνότητα ανά μονάδα 33.3 13.9 12.9 5.6 12.7 0.03 βάρους kwh/k * Ενεργειακή πυκνότητα ανά μονάδα 0.53 2.6 7.5 4.4 8.7 0.09 όγκου kwh/lt Δεν έχει συμπεριληφθεί το βάρος του εξοπλισμού αποθήκευσης του κάθε φορέα ενεργειακού Το υδρογόνο είναι ένας δευτερογενής ενεργειακός φορέας μια και για την παραγωγή του, την διάσπαση δηλαδή των ενώσεων του, απα ι τε ί τα ι ενέργεια. Ως 23